[發(fā)明專利]基于可控剛度和可控阻尼的柔性機(jī)械臂減振裝置與方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310244097.6
• 申請日: 2013-06-19
• 公開（公告）號: CN103273502A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高志慧;鄧玉春;邊宇樞
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: B25J19/00
• 分類號: B25J19/00;B25J13/08;B25J18/06;F16F9/53
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及基于可控剛度和可控阻尼的柔性機(jī)械臂減振裝置與方法，它從非線性的角度構(gòu)造基于磁流變技術(shù)的可控剛度和阻尼式減振裝置，使柔性機(jī)械臂和減振裝置組成的系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)共振現(xiàn)象，并形成能量交換的通道，將柔性機(jī)械臂的振動能量遷移至減振裝置并由阻尼耗散，屬于機(jī)械振動、柔性機(jī)械臂的運(yùn)動控制等技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用輕質(zhì)、快速、高負(fù)載自重比的柔性機(jī)械臂成為工業(yè)制造和航空航天領(lǐng)域的一種趨勢。由于柔性機(jī)械臂阻尼很小，振動會持續(xù)很長時間，影響正常的工作，因此抑制振動、提高機(jī)械臂的操作精度成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

針對柔性機(jī)械臂固有柔性和分布參數(shù)特征所引發(fā)的大幅非線性振動問題，人們從不同視角對柔性機(jī)械臂的振動控制開展了廣泛研究。例如，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，通過合理選取幾何尺寸或形狀提高基頻，降低機(jī)械臂的柔性變形和振動；在減振構(gòu)型設(shè)計(jì)方面，采用滑動質(zhì)量可控的桿件實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械臂的軌跡控制；在控制規(guī)律設(shè)計(jì)方面，主動控制逐步取代傳統(tǒng)被動控制，成為振動控制的主要發(fā)展方向。其中，利用伺服電機(jī)控制剛體運(yùn)動的同時，附加壓電陶瓷、形狀記憶合金等機(jī)敏材料作為作動器，抑制柔性機(jī)械臂的彈性動力響應(yīng)的方法已經(jīng)成為當(dāng)前的一個研究熱點(diǎn)。當(dāng)前的振動控制方法已在柔性效應(yīng)較弱、可做線性化處理的柔性機(jī)械臂的一般振動方面取得了顯著進(jìn)展，但是，大幅非線性振動通常蘊(yùn)含了強(qiáng)烈的振動能量，主動控制方法將不得不消耗更多的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂屏硪种七@種大幅振動。顯然，這種做法并非總是妥當(dāng)?shù)模淠芎母摺⒁走^載的不足甚至使之得不償失。更為重要的是，一般機(jī)敏材料的輸出功率往往有限，因而難以提供足夠能量來克服這種強(qiáng)烈振動，甚至面臨著過載破壞的危險。由此可見，現(xiàn)有的控制方法難以應(yīng)對柔性機(jī)械臂的大幅振動問題。此外，在高加速度、復(fù)雜名義運(yùn)動環(huán)境下，柔性機(jī)械臂非線性動力學(xué)效應(yīng)顯著而致使動力學(xué)行為變得十分復(fù)雜，致使以線性振動控制為核心的動態(tài)性能優(yōu)化問題進(jìn)展緩慢、困難重重。

通過對現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，近年來，已有人利用磁流變材料來設(shè)計(jì)減振裝置。例如，申請?zhí)朇N200910071707.0的專利公開的船用磁流變彈性體智能吸振器和申請?zhí)朇N200510094882.3的專利公開的磁流變彈性體移頻式吸振器及控制方法，對于柔性結(jié)構(gòu)振動控制具有比較好的效果，但對于名義運(yùn)動作用下剛?cè)狁詈系娜嵝詸C(jī)械臂的大幅振動控制將難以實(shí)施，并且吸振器的阻尼均無法做出合理地改變。應(yīng)當(dāng)指出，柔性機(jī)械臂是一個高度耦合的非線性動力學(xué)與非線性控制系統(tǒng)。當(dāng)在機(jī)械臂中考慮了柔性因素的時候，柔性機(jī)械臂的運(yùn)動往往呈現(xiàn)非線性特征，柔性機(jī)械臂運(yùn)動的特點(diǎn)是大范圍的剛體運(yùn)動與彈性運(yùn)動之間相互影響、高度耦合。根據(jù)非線性振動理論，該系統(tǒng)的高度耦合非線性、低基頻大柔性導(dǎo)致的幾何非線性、模態(tài)密集以及多種控制力的聯(lián)合作用，使該動力學(xué)系統(tǒng)存在著發(fā)生內(nèi)共振的極大可能性，因此從非線性角度來分析柔性機(jī)械臂的動力學(xué)和控制問題有利于探索更有效的減振方法。

內(nèi)共振作為非線性多自由度系統(tǒng)特有的性質(zhì)，一直視為有害而予以避免。然而，從積極的觀點(diǎn)來研究內(nèi)共振，有望為柔性機(jī)械臂的非線性振動控制提供新的途徑。內(nèi)共振是非線性多自由度系統(tǒng)的一種特有現(xiàn)象，在兩自由度系統(tǒng)的非線性動力學(xué)方程中，如果線性部分的固有頻率滿足可公度或者接近可公度關(guān)系，也就是說(其中m₁、m₂是正整數(shù)，ω₁、ω₂是線性部分固有頻率），這些頻率的可公度關(guān)系能夠引起相應(yīng)模態(tài)很強(qiáng)的耦合，這就稱為內(nèi)共振。正是這些耦合的存在，使得能量能夠在模態(tài)之間不斷地交換，并且由系統(tǒng)內(nèi)的阻尼耗散。

因此，為解決航空航天、微電子制造、精密機(jī)械等領(lǐng)域中具有柔性機(jī)構(gòu)，特別是具有單柔性機(jī)械臂的機(jī)械系統(tǒng)的大幅振動控制問題，本發(fā)明從非線性振動角度出發(fā)，應(yīng)用內(nèi)共振原理，提出了基于磁流變技術(shù)的基于可控剛度和可控阻尼的柔性機(jī)械臂減振裝置與方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對當(dāng)前柔性機(jī)械臂大幅非線性振動控制方法的欠缺及不足，為解決柔性機(jī)械系統(tǒng)（特別是具有剛?cè)狁詈系娜嵝詸C(jī)械臂）在工作過程中的振動控制問題，提供基于可控剛度和可控阻尼的柔性機(jī)械臂減振裝置與方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明基于可控剛度和可控阻尼的柔性機(jī)械臂減振裝置，其特征在于它包括柔性機(jī)械臂、安裝在柔性機(jī)械臂上的磁流變減振裝置以及起連接作用的直線導(dǎo)軌組件，其中：